Acqua e suolo ACQUA E SUOLO. P Claps - Idrologia 1

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1 ACQUA E SUOLO P Claps - Idrologia 1

2 Acqua e suolo - Infiltrazione Obiettivi formativi: - Conoscere le principali proprietà idrauliche del suolo - Conoscere i meccanismi che controllano l in5iltrazione - Saper distinguere in5iltrazione potenziale ed effettiva - Saper utilizzare i principali metodi per il calcolo dell in5iltrazione Riferimenti: Tarboton, Rainfall-Runoff Processes workbook chapter 4 Maione: Le piene 5luviali, cap 2 Versace: Scheda didattica P Claps - Idrologia 2

3 Suolo: - Sede di fenomeni di trasporto d acqua in modalità non satura - Mezzo trifase (Fasi: solida, liquida, aeriforme) Adapted from Tarboton and Rigon 3 P Claps - Idrologia 3

4 Cara4eris5che fisiche Densità frazione solida Bulk density (Dens. apparente) Porosità Contenuto d acqua volumetrico M m = massa fase solida V m = Volume fase solida V s = Volume totale V v = Volume vuoti V w = Volume acqua contenuta P Claps - Idrologia 4

5 Saturazione effe9va Contenuto acqua a saturazione Contenuto acqua pellicolare Grado di saturazione Grado di saturazione effettivo Porosità ef5icace Acqua pellicolare, capillare, gravi5ica P Claps - Idrologia 5

6 Curva granulometrica con i limi5 di appartenenza alle classi tessiturali 100 Percentage finer by weight Clay Silt Sand Gravel Diameter (mm) Confronto tra curve di distribuzione granulometrica. I con5ini tra le classi dimensionali indicati come argilla, limo, sabbia e ghiaia sono mostrati come linee verticali. P Claps - Idrologia 6

7 Triangolo tessiturale Il suolo B (Franco Sabbioso) ha percentuali: 3% argilla 44% limo 53% sabbia Totale: 100% Triangolo tessiturale del suolo: Classi5ica un suolo in base a classi di contenuto in peso delle frazioni di sabbia, limo e argilla P Claps - Idrologia 7

8 Database europeo HYPRES P Claps - Idrologia 7

9 Tabella di conversione 5pi di suolo Terminologia americana Sand Loamy Sand Sandy loam Loam Silty loam Silt Sandy clay loam Clay loam Silty clay loam Sandy clay Silty clay Clay Simbolo S LS SL L SiL Si SCL CL SiCL SC SiC C Terminologia italiana Sabbia Sabbia con medio impasto Medio impasto sabbioso Medio impasto Medio impasto limoso Limo Medio impasto sabbioso-argilloso Medio impasto argilloso Medio impasto limoso-argilloso Argilla sabbiosa Argilla limosa Argilla P Claps - Idrologia 8

10 Legge di Darcy ψ 1 Cilindro di Darcy (From Freeze and Cherry) 1 ψ 2 K=5lusso (saturo) speci5ico a gradiente unitario [cm/s] 2 potenziale nel caso saturo: generalizzazione del potenziale: P Claps - Idrologia 9

11 Potenziale Tensiometro misura suzione se Capillare Gravi5ica Se Ψ > 0 carico h = cost. (continuità idraulica) P Claps - Idrologia 10

12 Il profilo di equilibrio h = costante (=0) r= raggio γ= tensione super5iciale [N/m] Quota parte dei pori occupae da acqua alla quota z Suction head ψ 100% Elevation z P Claps - Idrologia Moisture Content θ θs 11

13 Relazione tra suzione e contenuto d acqua La forma della curva di ritenzione idrica è funzione della distribuzione dei pori Frangia Capillare: spessore nel quale Θ=n ma Ψ<0 (da Freeze and Cherry, 1979) P Claps - Idrologia 12

14 Profili di equilibrio (h=cost) Percentage finer by weight Clay Silt Sand Gravel a Diameter (mm) b a Funzione di tessitura e struttura di un suolo (distribuzione dei pori) b P Claps - Idrologia 13

15 Flusso nel non saturo (h non costante) Analogia con il 5lusso nel saturo: grad. idraulico Il movimento va da h 1 a h 3 P Claps - Idrologia 14

16 Relazioni tra k e (q, grad(h)) nel non saturo Aumento del pot. di suzione: e diminuisce θ (tubi capillari piccoli) A parità di Δψ, per ψ grande si ha minore 5lusso a causa della minore conducibilità idraulica (diminuisce l area degli spazi occupati dall acqua) P Claps - Idrologia 15

17 Curve di ritenzione idrica: ψ a = air entry tension Porosità ef5icace Grado di saturazione effettivo= P Claps - Idrologia 16

18 Curve di ritenzione idrica: (from Freeze and Cherry, 1979). Suction head ψ Curve caratteristiche (ritenzione idrica) θ ψ P Claps - Idrologia 18

19 Residual moisture content θ r =5% à ß Suction head ψ Curve caratteristiche (ritenzione idrica) θ ψ (from Freeze and Cherry, 1979). P Claps - Idrologia 19

20 Curve caratteristiche (ritenzione idrica) (Κ, Ψ) (from Freeze and Cherry, 1979). P Claps - Idrologia 20

21 Questa rappresentazione dà meno luogo ad isteresi (solo k(θ)) In funzione di θ, K e Ψ variano di diversi ordini di grandezza! à ß Residual moisture content θ r P Claps - Idrologia 17

22 Forme parametriche delle curve di ritenzione Grado di saturazione effettivo= Brooks and Corey (1966) Clapp and Hornberger (1978) Ksat= Coeff. Permeab. in cond. sature b=f(pore size distribution) c=f(pore disconnectedness) Relazione di Mualem: c=2b+2.5 => 2 soli parametri da s5mare P Claps - Idrologia 21

23 Clapp and Hornberger (1978) parameters for Soil Moisture Characteris5c func5ons. Values in parentheses are standard devia5ons. Soil Texture Porosity n K sat (cm/hr) ψ a (cm) b Sand (0.056) (14.3) 4.05 (1.78) Loamy sand (0.068) (12.4) 4.38 (1.47) Sandy loam (0.086) (31.0) 4.9 (1.75) Silt loam (0.059) (51.2) 5.3 (1.96) Loam (0.078) (51.2) 5.39 (1.87) Sandy clay loam (0.059) (37.8) 7.12 (2.43) Silty clay loam (0.057) (37.8) 7.75 (2.77) Clay loam (0.053) (51.0) 8.52 (3.44) Sandy clay (0.057) (17.3) 10.4 (1.64) Silty clay (0.064) (62.0) 10.4 (4.45) Clay (0.050) (39.7) 11.4 (3.7) based on analysis of 1845 soils. P Claps - Idrologia 22

24 Forme parametriche della conducibilità idraulica equazione (non è chiaro cosa sia PHI! ) autori Baver, Gardner e Gardner, 1972 Gardner, 1958 Childs e Collis-George, 1950 Marshall and Holmes, 1979 Brooks e Corey Mualem, 1976 Van Genuchten, 1980 Clapp e Hornberger P Claps - Idrologia 23

25 Forme parametriche della curva di ritenzione van Genuchten (1980) (S e ) = 1 (S 1/m e ) 1 m K(S e )=K sat S 1/2 e (1 (1 S 1/m e ) m ) 2 3 Parametri Curva realiseca (flesso) Stato dell arte nel soil mapping (Hypres database) n non è la porosità! P Claps - Idrologia 24

26 Contenuto d acqua per uso agricolo Al cessare del drenaggio à (24/72 ore dopo un Δθ) θ fc at FIELD CAPACITY (ψ= -340 cm [-100 : -500]) k non va esattamente a 0, mentre si ha quando k=0 θ wp PERM. WILTING POINT (punto appass. permanente) ψ= cm P Claps - Idrologia 25

27 Contenuto d acqua per uso agricolo θ fc - θ wp = CAPACITA RITENZIONE IDRICA = A.W.C. Drainable porosity = θ r non è legato all azione delle piante; θ wp sì Suolo nudo à θ < θ fc solo per asciugatura/evaporazione θ wp < θ < θ fc à curva k s per Penman-Monteith P Claps - Idrologia 26

28 θ r Soil-water status as a function of pressure (tension). Natural soils do not have tensions exceeding about cm; in this range water is absorbed from the air. [from Dingman, 1994] P Claps - Idrologia 27

29 Porosità, capacità di campo(5ield capacity), e punto di appassimento (permanent wilting point) per suoli con diverse granulometrie. (da Dunne e Leopold, 1978) P Claps - Idrologia 28